Vedere l'onda-particella

La mia domanda è inerente luce, colori e trasparenze dei materiali: come si lega il fatto che la luce viene considerata sia come onda che come particella, rispetto alla visione dei colori? Perché, per esempio, con oggetti trasparenti "vediamo" i fotoni che provengono da un oggetto dietro un vetro mentre con un oggetto non trasparente questo non accade?
Camillo C.
24 luglio 2005
La domanda, come è stata formulata risulta non del tutto chiara, in quanto sembra dare per scontato che il lettore non incontrerebbe i problemi che solleva se i fotoni fossero, definitivamente, o onde oppure particelle, mentre, palesemente, per entrambi questi loro aspetti si pone il problema della trasparenza o opacità di certi materiali.

Di fatto, nello schema dell'elettromagnetismo classico (luce=onde), esistono materiali che sono capaci di trasmettere una perturbazione elettromagnetica e altri che portano a un graduale assorbimento della radiazione stessa (non a caso nessuna lente lascia passare "tutta" la luce che la investe) e quindi, per spessori opportuni a un totale assorbimento della radiazione.

Bene, secondo la meccanica quantistica (luce=particelle, vale a dire fotoni), come il lettore ben saprà, dai tempi di Planck un raggio luminoso non va più visto come una perturbazione elettromagnetica la cui energia è distribuita con continuità nello spazio (in modo che la densità dell'energia è in ogni punto proporzionale al quadrato dell'ampiezza del campo in quel punto) ma come una vera e propria "doccia" di quanti del campo elettromagnetico (appunto i fotoni) distribuiti spazialmente in modo che, per un fascio abbastanza intenso, i fotoni che si trovano in un certo volume trasportano l'energia che la fisica classica attribuisce a quel volume. Ma per tutti i processi cui fa riferimento la domanda, la traduzione dal linguaggio classico a quello quantistico risulta banale: basta pensare che un sistema che assorbe energia dal campo nel caso classico assorbe fotoni nella visione quantistica.

La radicale differenza tra il caso classico e quello quantistico emerge con riferimento a processi diversi da quelli che sembrano interessare il richiedente. Se per esempio si manda un fascio di luce polarizzata (che ha attraversato un filtro polaroid) verticalmente, su un filtro polaroid che ha un piano di polarizzazione diversa, diciamo che forma un angolo ϑ col piano di polarizzazione del fascio, allora, secondo la teoria classica il campo viene semplicemente attenuato attraversando la lastra, per cui in uscita si avrà un'intensità I=I(e)cos2ϑ, con I(e) l'intensità incidente. Ma poiché il filtro non altera la luce dei colori, ciasun fotone in uscita trasporterà la stessa energia di quello in entrata che, in accordo con l'ipotesi di Planck è il prodotto della costante di Planck per la frequenza della radiazione. Ma allora, per avere un'attenuazione del fascio quale quella che si osserva in pratica, l'unica spiegazione consistente deriva dall'ammettere che alcuni fotoni passano e altri vengono assorbiti. Questo fatto si può verificare anche mandando un fascio talmente debole che sulla lastra arrivi un fotone al secondo. Si vede allora appunto che la frazione cos2ϑ di fotoni incidenti superano la seconda lastra e i rimanenti vengono assorbiti. Qui la differenza tra teoria classica e quantistica emerge in tutta la sua chiarezza e da questo esperimento si deriva l'inevitabile interpretazione probabilistica dei fenomeni microscopici.

Spero di essere stato esauriente.

Giancarlo Ghirardi Dipartimento di Fisica Teorica, Università di Trieste
I nostro occhi (insieme con il cervello) percepiscono come colore la frequenza delle onde elettromagnetiche luminose. Il rosso corrisponde alle frequenze più basse percepibili a occhio e il violetto alle più alte.

Nella descrizione quantistica della luce come formata da fotoni, la frequenza delle onde elettromagnetiche corrisponde all'energia dei fotoni stessi. Dunque, se si adotta il punto di vista quantistico, il colore rosso corrisponde a fotoni della più bassa energia percepibile a occhio e il colore violetto alla più alta.

Per ciò che concerne la seconda parte della domanda è da dire che l'opacità, la trasparenza e la semi-trasparenza (translucidità) dei corpi dipendono dalla loro più o meno forte capacità di assorbire la luce che li attraversa. I corpi opachi assorbono tutta la luce. I corpi semi-trasparenti assorbono solo una parte della luce e i corpi trasparenti lasciano passare tutta la luce che li attraversa.

Questo è vero sia se si considera la luce come formata da onde eletromagnetiche che da fotoni. Nel caso di corpi semi-trasparenti, la luce può essere trasmessa selettivamente rispetto alla frequenza dell'onda (ovvero, dell'energia dei fotoni). In tal caso, ad esempio, se il corpo traslucido è illuminato con luce bianca (tutti i colori sovrapposti) e lascia passare, diciamo, solo la luce di colore verde, esso apparirà verde a chi guarda attraverso di esso. Il colore dei corpi opachi, invece, è dovuto alla riflessione selettiva in frequenza della luce da parte della loro superficie esterna.

Enrico Santamato Dipartimento di Scienze Fisiche, Università di Napoli Federico II

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